孟京輝

(北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

抽樣調(diào)查技術(shù)是獲取總體特征估計(jì)的一種統(tǒng)計(jì)調(diào)查與分析方法［1］。早在19世紀(jì)末，挪威統(tǒng)計(jì)學(xué)家A．N．Kiaer提出了用代表性的樣本對總體進(jìn)行估計(jì)，但是這一理論最初得到的大都是負(fù)面評價(jià)，直到1925年該理論的科學(xué)性才得到了充分的肯定［2］。1940年，該方法被各國普遍接納并應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。比如，社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查、人口調(diào)查，農(nóng)作物產(chǎn)量調(diào)查和礦產(chǎn)資源調(diào)查等。中國于1976年開始建立以抽樣調(diào)查為基礎(chǔ)的全國森林資源連續(xù)清查體系。

早在50年代，中國林業(yè)院校就開設(shè)“森林抽樣調(diào)查技術(shù)”這門課程，但是當(dāng)70年代基于抽樣理論的森林監(jiān)測體系建立后，大部分院校認(rèn)為沒有必要繼續(xù)開設(shè)該課程，相關(guān)的知識(shí)可以簡化合并到“測樹學(xué)”與“森林經(jīng)理學(xué)”中。但是，隨著森林多功能經(jīng)營的信息需求，森林調(diào)查不僅僅要提供森林蓄積、面積、生長等基本信息，而且需要提供諸如生物多樣性、珍貴動(dòng)植物等相關(guān)的信息，而傳統(tǒng)的抽樣體系不能滿足這些信息的獲取。此外，隨著信息技術(shù)和統(tǒng)計(jì)理論的發(fā)展，一些新的抽樣調(diào)查方法層出不窮，比如關(guān)于稀有事件適應(yīng)性抽樣調(diào)查的研究［3，4］。因此，大部分林業(yè)院校正在或準(zhǔn)備恢復(fù)“森林抽樣調(diào)查技術(shù)”這門課程。筆者承擔(dān)北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)和森林資源保護(hù)與游憩本科專業(yè)的“森林抽樣調(diào)查技術(shù)”課程的教學(xué)工作。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)了一些問題，該文對這些問題的成因進(jìn)行了分析，并提出相關(guān)的對策，希望能對相關(guān)農(nóng)林院校提供借鑒。

一、存在問題及成因分析

(一)教學(xué)安排

在教學(xué)安排方面，本課程存在課程開設(shè)對象較窄以及預(yù)備知識(shí)不足兩方面的問題。目前在北京林業(yè)大學(xué)，該課程的開設(shè)對象僅僅為林學(xué)和森林資源保護(hù)與游憩本科專業(yè)學(xué)生，而對于其他生物類專業(yè)，例如草學(xué)、草業(yè)、自然保護(hù)區(qū)學(xué)、生物科學(xué)、生物技術(shù)、食品科學(xué)等專業(yè)并未開設(shè)。抽樣調(diào)查作為一個(gè)方法課，不僅僅可以應(yīng)用到上述廣義層面的生命科學(xué)研究領(lǐng)域，而且可以應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，而相關(guān)本科專業(yè)并沒有開設(shè)相關(guān)抽樣方法的課程。此外，自然學(xué)科類研究生大部分從事實(shí)驗(yàn)類科學(xué)研究，而數(shù)據(jù)獲取的好壞，往往決定其最終研究成果的成敗。而在研究生課程中并沒有介紹數(shù)據(jù)獲取方法的理論課程，而大部分研究生在本科時(shí)也沒有接觸過抽樣技術(shù)等課程。雖然，經(jīng)濟(jì)學(xué)院針對統(tǒng)計(jì)學(xué)專業(yè)開設(shè)了“抽樣調(diào)查”這門課，但是這門課多側(cè)重于抽象的基礎(chǔ)抽樣理論的推導(dǎo)，而且缺乏具體實(shí)踐應(yīng)用，并且其選擇的實(shí)例沒有專業(yè)針對性，不利于各個(gè)專業(yè)學(xué)生數(shù)據(jù)獲取能力的培養(yǎng)。

此外，“森林抽樣調(diào)查技術(shù)”目前開設(shè)的時(shí)間為大三上學(xué)期。該課程的先修課程為“高等數(shù)學(xué)”和“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”。但是筆者發(fā)現(xiàn)，盡管學(xué)生在修完了這兩門課程，但學(xué)習(xí)“森林抽樣調(diào)查技術(shù)”的預(yù)備統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)仍然不足，比如對統(tǒng)計(jì)基本概念不清，有的還出現(xiàn)張冠李戴的情況(比如說標(biāo)準(zhǔn)差與標(biāo)準(zhǔn)誤差，精度與準(zhǔn)確度)，沒有掌握一門統(tǒng)計(jì)軟件，沒有數(shù)據(jù)分析的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等等，這些問題影響了對該課程的學(xué)習(xí)。另外，筆者還發(fā)現(xiàn)，學(xué)生目前普遍對統(tǒng)計(jì)類課程興趣不足，有明顯的抵制情緒。其原因，可能是在預(yù)備課程學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)方法不得當(dāng)，沒有建立起對統(tǒng)計(jì)學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。此外，“森林經(jīng)理學(xué)”中森林調(diào)查這一章也是該課程的預(yù)備知識(shí)，而目前“森林經(jīng)理學(xué)”則安排在大四上學(xué)期，這也對“森林抽樣調(diào)查技術(shù)”教學(xué)工作帶來了一定的困難。

(二)教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容上主要存在的問題是教材陳舊專業(yè)針對性差。目前關(guān)于抽樣調(diào)查的專業(yè)教材很多，但是大部分都是針對統(tǒng)計(jì)或經(jīng)濟(jì)學(xué)專業(yè)學(xué)生而專門編寫的，內(nèi)容多側(cè)重于統(tǒng)計(jì)學(xué)基本原理的推導(dǎo)，很少涉及到具體的應(yīng)用，所以專業(yè)針對性不強(qiáng)。筆者認(rèn)為，對于非統(tǒng)計(jì)專業(yè)的學(xué)生，教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)該是教會(huì)學(xué)生如何使用抽樣調(diào)查這個(gè)工具，來科學(xué)地獲取本專業(yè)的調(diào)查數(shù)據(jù)，而不是過多關(guān)注對抽樣基本理論的推導(dǎo)上。而針對具體專業(yè)而編寫的抽樣調(diào)查教材很少。此外，該類教材內(nèi)容大都比較陳舊，尤其是對最近幾年相關(guān)專業(yè)產(chǎn)生的新理論沒有及時(shí)進(jìn)行更新。其原因可能是擔(dān)任各專業(yè)抽樣調(diào)查的授課教師，大都來自數(shù)學(xué)系或統(tǒng)計(jì)系，而對具體專業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)的新的抽樣理論的關(guān)注度不夠。

(三)教學(xué)方法

在教學(xué)方法上，本課程顯得比較枯燥，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。無論哪種抽樣方法的講授，都采取“概念的說明-公式的定義-具體應(yīng)用案例研究”，這種“填鴨式”教學(xué)模式。整個(gè)過程都是教師一個(gè)人的工作，學(xué)生根本沒有參與進(jìn)來，師生沒有任何互動(dòng)。此外，教師在授課時(shí)過多關(guān)注學(xué)生對抽樣理論的理解，將過多的精力放到抽樣公式的推導(dǎo)，而抽樣理論具體應(yīng)用案例講授較少;最后，由于授課教師缺乏相應(yīng)的專業(yè)背景或者教師授課之前并沒有考慮學(xué)生專業(yè)的特點(diǎn)，沒有安排專業(yè)針對性的應(yīng)用案例，因此無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、課程改進(jìn)對策

(一)教學(xué)安排

教學(xué)安排上，可以從授課對象和授課教師2個(gè)方面改進(jìn)。鑒于抽樣調(diào)查理論在不同專業(yè)、不同培養(yǎng)層面都具有重要的意義。因此，該課程開設(shè)所面向的對象、及對象的層次應(yīng)該擴(kuò)大。比如，除了生命學(xué)科領(lǐng)域，可以進(jìn)一步擴(kuò)充到社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域、工程科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)專業(yè)。對象的層次則可以由本科生擴(kuò)展為碩士和博士研究生。鑒于不同專業(yè)差異性較大，如果針對所有專業(yè)開設(shè)一門抽樣理論課程，這樣勢必導(dǎo)致教師上課時(shí)針對性不強(qiáng)，影響整體教學(xué)效果。因此，可以針對相似的專業(yè)開設(shè)抽樣調(diào)查課程，例如，針對林學(xué)、森林資源保護(hù)與游憩、水土保持、自然保護(hù)區(qū)、草學(xué)等專業(yè)開設(shè)“生物類抽樣調(diào)查技術(shù)”，針對法學(xué)、應(yīng)用心理學(xué)等專業(yè)開設(shè)“社科類抽樣調(diào)查技術(shù)”，針對木材科學(xué)與工程、林產(chǎn)化工、包裝工程、自動(dòng)化等專業(yè)開設(shè)“工程類抽樣調(diào)查技術(shù)”。此外，應(yīng)該盡量避免全部由數(shù)學(xué)系或統(tǒng)計(jì)系的教師進(jìn)修授課，應(yīng)該盡快發(fā)展相關(guān)專業(yè)教師，擔(dān)任抽樣理論的教學(xué)工作?？梢詮膶I(yè)課老師中，挑選統(tǒng)計(jì)功底好的并且對抽樣調(diào)查理論感興趣的老師，并對其集中進(jìn)行培訓(xùn)。這樣更能培養(yǎng)學(xué)生在該專業(yè)應(yīng)用抽樣調(diào)查獲取數(shù)據(jù)的能力。

考慮到該課程是專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生對先修課程“高等數(shù)學(xué)”和“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”學(xué)習(xí)的好壞，直接影響到該課程的教學(xué)效果。因此，有必要積極與這兩門課程的相關(guān)教師進(jìn)行溝通。比如，把平時(shí)學(xué)生容易混淆的概念及時(shí)向這兩門課程的教師進(jìn)行反映，以便這些教師及時(shí)調(diào)整與改進(jìn)教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)這些課程教學(xué)質(zhì)量的提升，并為學(xué)習(xí)抽樣調(diào)查打下統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)。此外，針對大四開設(shè)的“森林經(jīng)理學(xué)”中森林調(diào)查是該課程的預(yù)備知識(shí)，而“森林抽樣調(diào)查”于大三上學(xué)期開設(shè)這一問題，筆者建議在大二開設(shè)“測樹學(xué)”中加入森林調(diào)查的內(nèi)容，或者直接在“森林抽樣調(diào)查”中加入森林調(diào)查這部分內(nèi)容。如果加入后，要與“森林經(jīng)理學(xué)”的任課老師進(jìn)行及時(shí)溝通，避免授課內(nèi)容的重復(fù)。

(二)教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容上，要及時(shí)關(guān)注新的林業(yè)抽樣理論的出現(xiàn)，并及時(shí)對教材進(jìn)行更新。抽樣理論目前在國際上發(fā)展迅猛，一些新的抽樣理論層出不窮。隨著林業(yè)的主要任務(wù)以木材生產(chǎn)為主，向森林多功能的轉(zhuǎn)變。在森林調(diào)查中，筆者不僅關(guān)注森林的蓄積量，而且會(huì)對一些稀有事件感興趣，例如林下倒木的數(shù)量、稀有樹種的數(shù)量、林下蘑菇的數(shù)量等等。而傳統(tǒng)方法對這些稀少總體進(jìn)行估計(jì)時(shí)，其估計(jì)效果往往并不理想。在這種情況下，專門針對稀少群體的適用性群團(tuán)抽樣調(diào)查技術(shù)得到了發(fā)展與應(yīng)用。例如，朱光玉等采用了適應(yīng)性群團(tuán)抽樣，在內(nèi)蒙古對稀少總體古檉柳進(jìn)行了估計(jì)［3］。史京京等采用適應(yīng)性群團(tuán)抽樣，對海南東寨港紅樹林自然保護(hù)區(qū)樣地內(nèi)分布稀少的海桑和無瓣海桑進(jìn)行了估計(jì)，并通過模擬證明適應(yīng)性群團(tuán)抽樣效率要遠(yuǎn)高于隨機(jī)抽樣［4］。而這些新的抽樣理論，并沒有在抽樣教材中得到及時(shí)的更新。

此外，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，特別是高空間分辨率遙感影像的出現(xiàn)，抽樣調(diào)查技術(shù)已經(jīng)和遙感結(jié)合的越來越緊密，抽樣調(diào)查所能解決的問題也越來越寬泛。例如，謝進(jìn)金等基于分層抽樣技術(shù)和蓄積量遙感估測的原理，以平南縣19．5米分辨率的CBERS-02B遙感影像為基本數(shù)據(jù)源，對平南縣森林蓄積量估測［5］。李春干等，以SPOT5和ALOS高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)，在GIS支持下在遙感圖像上布設(shè)樣地，實(shí)現(xiàn)了大尺度森林資源的監(jiān)測。而抽樣調(diào)查技術(shù)和遙感相結(jié)合的案例，至今也沒有在教材中得到更新。因此，有必要對教材進(jìn)行修訂，及時(shí)更新前沿的抽樣技術(shù)及應(yīng)用案例，使學(xué)生學(xué)到的知識(shí)與時(shí)代同步。此外，建議相關(guān)教師可以翻譯一些有名的著作作為學(xué)生的輔助讀物，比如林業(yè)領(lǐng)域中的Daniel Mandallaz的“Sampling Technique for Forest Inventory”，Barry D．Shiver和Bruce E．Borders的“Sampling Technique for Forest Resource Inventory”。

(三)教學(xué)方法

“森林抽樣調(diào)查”這門課的開設(shè)宗旨是使學(xué)生能夠掌握合理的抽樣技術(shù)，來獲取林業(yè)生產(chǎn)與科研的數(shù)據(jù)，以便更好地進(jìn)行林業(yè)決策。因此，該課程的根本目的是“使用”，所以在教學(xué)中應(yīng)避免枯燥的理論公式的推導(dǎo)，而是應(yīng)當(dāng)加入抽樣調(diào)查在林業(yè)中具體應(yīng)用的實(shí)例。例如，如何采用回歸估計(jì)來估計(jì)總體全部小班實(shí)際蓄積量;如何采用自適應(yīng)性群團(tuán)抽樣，估計(jì)林場內(nèi)枯死木的數(shù)量;如何結(jié)合抽樣調(diào)查樣地和遙感影像，估測林場的碳儲(chǔ)量等相關(guān)案例。這樣不僅僅是學(xué)生對抽樣調(diào)查的應(yīng)用一目了然，而且能夠很大程度調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

此外，在授課時(shí)盡可能采用圖形材料進(jìn)行形象化地教學(xué)。比如困擾大部分學(xué)生的關(guān)于偏差和準(zhǔn)確度這兩個(gè)概念，不妨舉射擊手打靶的例子，用圖1進(jìn)行解釋。結(jié)果是:(a)無偏，精度高;(b)有偏，但是精度高;(c)無偏，精度不高;(d)有偏，精度不高。其中，應(yīng)該重點(diǎn)向?qū)W生介紹(b)，因?yàn)閷W(xué)生在進(jìn)行參數(shù)估計(jì)時(shí)往往過分信賴精度，而忽視偏度。例如學(xué)生在進(jìn)行回歸分析時(shí)，只重視模型的精度，模型的效率(R2)的評估，而往往忽略對模型的偏度進(jìn)行評估(繪制殘差圖，殘差均勻分布在橫軸的兩側(cè)則為無偏估計(jì))。如果用圖(b)向?qū)W生展示，即使在精度很高的情況下，如果估計(jì)方法是有偏的，那么估計(jì)值也有可能距離真值很遠(yuǎn)。這種圖形描述的直觀形式，勢必會(huì)給學(xué)生一個(gè)很深的印象，必然會(huì)起到事半功倍的教學(xué)效果。

圖1 打靶試驗(yàn)圖

(四)實(shí)踐應(yīng)用

抽樣調(diào)查是一門方法課，因此在教學(xué)過程中一定要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用抽樣技術(shù)的能力。在抽樣調(diào)查講授過程中，一般的順序是:簡單隨機(jī)抽樣、分層抽樣、系統(tǒng)抽樣、整群抽樣、二階抽樣、回歸抽樣估計(jì)、比估計(jì)、成數(shù)抽樣、雙重抽樣和不等概抽樣。學(xué)生是孤立地對上述抽樣方法進(jìn)行學(xué)習(xí)的，并沒有體會(huì)到不同抽樣方法之間的相關(guān)性。而現(xiàn)實(shí)中所遇到的問題，需要綜合上述幾種抽樣方法，才能夠得到解決。因此，當(dāng)所有抽樣方法講授完之后，教師有必要講授一個(gè)綜合案例，而這個(gè)綜合案例需要綜合上述大部分抽樣方法才能完成，這樣可以使學(xué)生將零散的抽樣理論進(jìn)行系統(tǒng)整合。當(dāng)綜合案例講完之后，教師可以把學(xué)生分為若干個(gè)小組，再給定一個(gè)綜合題目，讓學(xué)生討論如何通過綜合不同抽樣方法，來設(shè)計(jì)抽樣方案，推算目標(biāo)變量特征值公式以及目標(biāo)特征值的方差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)變量的科學(xué)估計(jì)。當(dāng)學(xué)生獨(dú)立地解決完一個(gè)綜合題目之后，學(xué)生采用抽樣調(diào)查方法，分析及解決問題的能力將得到一定程度的提升。

三、結(jié)論與展望

抽樣調(diào)查作為一門方法課，在多功能森林資源調(diào)查中越來越重要，因此有必要組織相關(guān)兄弟院校的老師，舉行教學(xué)方法改進(jìn)的研討會(huì)，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。此外，作為抽樣調(diào)查的授課教師，應(yīng)該緊抓當(dāng)前國際上抽樣調(diào)查技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，及時(shí)將最新的調(diào)查方法引入到林業(yè)上來，為森林多功能經(jīng)營服務(wù)。另外，考慮到森林抽樣調(diào)查后備人才不足，因此有必要培養(yǎng)森林抽樣調(diào)查方向的研究生，保證未來師資的可持續(xù)性。

［1］ 宋新民，李金良．抽樣調(diào)查技術(shù)［M］．北京:中國林業(yè)出版社，2007．

［2］ Annika Kangas，Matti Maltamo．Forest Inventory Methodology and Application［M］．Berlin:Springer，2009．

［3］ 朱光玉，唐守正，雷淵才．不跨越邊界基于Horvitz-Thompson估計(jì)量的分層自適應(yīng)群團(tuán)抽樣［J］．林業(yè)科學(xué)，2010，46(7):1-6．

［4］ 史京京，雷淵才，趙天忠．適應(yīng)性群團(tuán)抽樣技術(shù)與傳統(tǒng)簡單隨機(jī)抽樣法的比較——以沿海紅樹植物木欖為例［J］．林業(yè)科學(xué)，2010，39(2):1-6．

［5］ 謝進(jìn)金，林輝．基于遙感分層技術(shù)的平南縣森林蓄積抽樣調(diào)查方法研究［J］．林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2011，1(3):8-11．

［6］ 李春干，陳琦，譚必增．基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空中抽樣的大尺度森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測［J］．2009(2):106-110．